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KR100803771B1 - Process for the preparation of molecular sieve adsorbent for selective adsorption of oxygen from air - Google Patents

Process for the preparation of molecular sieve adsorbent for selective adsorption of oxygen from air Download PDF

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KR100803771B1
KR100803771B1 KR1020067010367A KR20067010367A KR100803771B1 KR 100803771 B1 KR100803771 B1 KR 100803771B1 KR 1020067010367 A KR1020067010367 A KR 1020067010367A KR 20067010367 A KR20067010367 A KR 20067010367A KR 100803771 B1 KR100803771 B1 KR 100803771B1
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argon
zeolite
nitrogen
adsorption
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라크쉬 비르 자스라
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카운슬 오브 사이언티픽 앤드 인더스트리얼 리서치
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Abstract

본 발명은 아르곤 및/또는 질소와 산소의 가스 혼합물로부터 산소에 대하여 선택적인 분자체 흡착제의 제조에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 산소-아르곤 가스 혼합물의 분리에 유용한 분자체 흡착제의 제조에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 온도와 압력의 주변 조건에서 질소 및 아르곤과 산소의 가스 혼합물로부터 산소 선택적인 흡착제를 얻는, 희토류 양이온에 의한 제올라이트에서의 양이온 교환에 의한 분자체 흡착제의 제조 및 사용에 관한 것이다. 따라서, 제조된 흡착제는 산소와 질소 및 아르곤과의 혼합물로부터 질소 및 아르곤의 분리 및 정제에 유용하다.The present invention relates to the preparation of molecular sieve adsorbents selective for oxygen from argon and / or a gas mixture of nitrogen and oxygen. More specifically, the present invention relates to the preparation of molecular sieve adsorbents useful for the separation of oxygen-argon gas mixtures. More specifically, the present invention relates to the preparation and use of molecular sieve adsorbents by cation exchange in zeolites with rare earth cations, obtaining an oxygen selective adsorbent from nitrogen and a gas mixture of argon and oxygen at ambient conditions of temperature and pressure. will be. Thus, the prepared adsorbents are useful for the separation and purification of nitrogen and argon from mixtures of oxygen with nitrogen and argon.

분자체, 흡착제, 산소, 제올라이트, 희토류, 선택적 Molecular sieve, adsorbent, oxygen, zeolite, rare earth, selective

Description

공기로부터 산소의 선택적 흡착을 위한 분자체 흡착제의 제조 공정{Process for the preparation of molecular sieve adsorbent for selective adsorption of oxygen from air}Process for the preparation of molecular sieve adsorbent for selective adsorption of oxygen from air

본 발명은 공기로부터 산소의 선택적 흡착을 위한 분자체 흡착제(molecular sieve adsorbent)의 제조공정에 관한 것이다. 본 발명은 또한 밀접하게 관련된 물성들을 갖는 가스들의 분리를 위한 선택적 흡착제로서 희토류로 교환된 제올라이트의 사용에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 아르곤과 산소의 가스 혼합물로부터, 산소에 대하여 선택적인 흡착제의 제조 및 사용에 관한 것이다.The present invention relates to a process for the preparation of molecular sieve adsorbents for the selective adsorption of oxygen from air. The invention also relates to the use of zeolites exchanged with rare earths as selective adsorbents for the separation of gases with closely related physical properties. More specifically, the present invention relates to the preparation and use of adsorbents selective for oxygen from a gas mixture of argon and oxygen.

가스 스트림으로부터 한 가스 성분을 분리하는 흡착 기술의 사용은 초기에는 공기로부터 이산화탄소 및 물을 제거하기 위해 개발되었다. 가스 흡착 기술은 현재는 탄화수소와 수소의 혼합물로부터 수소의 회수, 및 공기로부터 산소의 농축을 위한 공정에 사용된다.The use of adsorption techniques to separate one gas component from a gas stream was initially developed to remove carbon dioxide and water from the air. Gas adsorption techniques are currently used in processes for the recovery of hydrogen from mixtures of hydrocarbons and hydrogen, and the concentration of oxygen from air.

널리 사용되는 네가지 형태의 흡착제들은 활성탄, 제올라이트 분자체, 실리카겔, 및 활성 알루미나를 포함한다. 매우 좁은 기공 크기 분포를 나타내며, 질소를 회수하기 위해 공기의 분리를 촉진하는 탄소 분자체(CMS)는 안전하고 성장하고 있는 탄소 분자체 시장을 제공하였다.Four widely used types of adsorbents include activated carbon, zeolite molecular sieves, silica gel, and activated alumina. Carbon molecular sieve (CMS), which exhibits a very narrow pore size distribution and promotes separation of air to recover nitrogen, provided a safe and growing market for carbon molecular sieves.

공기로부터 산소 및 아르곤의 분리를 위한 흡착 공정은 지난 30년간 상업적인 목적을 위해 더욱 더 사용되고 있다. 하수처리, 발효, 절단 및 용접, 어류 양식, 전기로, 펄프 표백, 유리 부풀리기(glass blowing), 및 의료 목적에서와, 특히 요구되는 산소 순도가 90 내지 95% 사이인 철강산업에서의 산소요구량은 주로 흡착에 기초한 압력 진동 또는 진공 진동 공정(adsorption based pressure swing or vacuum swing process)에 의해 최대한 충족되고 있다. 현재, 세계 산소 수요의 약 20%가 공기의 흡착 분리에 의해 충족된다고 평가된다. 그러나, 흡착 공정에 의해 최대 달성가능한 순도는 100% 산소 순도를 달성하는데 제한 인자가 되는 공기에 존재하는 0.934몰% 아르곤의 분리 때문에 대략 95%이다. 더욱이, 흡착에 기초한 공기로부터의 산소의 제조는 일당 200톤 이상의 조업도에 대하여 공기의 저온 분별법(cryogenic fractionation)에 비하여 경제적으로 경쟁력이 없다.Adsorption processes for the separation of oxygen and argon from air have been increasingly used for commercial purposes over the last 30 years. Oxygen requirements in sewage treatment, fermentation, cutting and welding, fish farming, electric furnaces, pulp bleaching, glass blowing, and medical purposes, especially in the steel industry, where the required oxygen purity is between 90 and 95% This is best met by an adsorption based pressure swing or vacuum swing process. At present, it is estimated that about 20% of global oxygen demand is met by adsorptive separation of air. However, the maximum achievable purity by the adsorption process is approximately 95% due to the separation of 0.934 mol% argon present in the air which is the limiting factor in achieving 100% oxygen purity. Moreover, the production of oxygen from air based on adsorption is economically uncompetitive over cryogenic fractionation of air for more than 200 tonnes of operation per day.

아르곤 가스는 주로 불활성 분위기를 만들기 위한 불활성 가스로서 산업에서 사용된다. 아르곤 또는 아르곤-수소 혼합물은 고순도 철의 제조에 사용된다. 아르곤은 또한 용접, 절단, 및 금속의 용사에 사용되고, 용접 공정에 따라 이 희가스가 순수하게, 혼합물로서, 또는 산소, 수소, 또는 이산화탄소와 결합하여 사용된다. 아르곤/아르곤-수소 혼합물(>5% H2)는 플라즈마 용접용 보호 가스로서 사용된다. 아르곤의 많은 잠재적인 응용이 있고 본 연구는 미래에 증가된 아르곤 소비를 이끌 것으로 기대된다.Argon gas is mainly used in industry as an inert gas to create an inert atmosphere. Argon or argon-hydrogen mixtures are used for the production of high purity iron. Argon is also used for welding, cutting, and spraying of metals, and depending on the welding process, this rare gas is used purely, as a mixture, or in combination with oxygen, hydrogen, or carbon dioxide. An argon / argon-hydrogen mixture (> 5% H 2 ) is used as the protective gas for plasma welding. There are many potential applications of argon and this study is expected to lead to increased argon consumption in the future.

흡착 분리 공정에 사용되는 흡착제의 경우, 그것들의 잠재력을 평가하는데 고려될 필요가 있는 두 개의 중요한 특성, 즉 흡착 용량과 흡착 선택도가 있다. 흡착제의 흡착 용량은 흡착제의 부피 또는 무게의 관점에 의한 양으로 정의된다. 원하는 성분에 대한 흡착제의 용량이 높을수록 특정 농도의 혼합물로부터 한 성분의 특정 양을 분리하는데 요구되는 흡착이 증가하기 때문에 더 좋다. 특정 흡착 공정에서 흡착제 량의 이와 같은 감소는 분리 공정의 비용을 줄여준다.In the case of adsorbents used in adsorptive separation processes, there are two important properties that need to be considered in assessing their potential: adsorption capacity and adsorption selectivity. The adsorption capacity of the adsorbent is defined as the amount in terms of volume or weight of the adsorbent. The higher the capacity of the adsorbent for the desired component, the better because it increases the adsorption required to separate a particular amount of one component from a particular concentration of mixture. This reduction in the amount of adsorbent in certain adsorption processes reduces the cost of the separation process.

한 성분의 다른 성분에 대한 흡착 선택도는 주어진 압력 및 온도에서 흡착된 가스 부피들의 비율로써 계산된다. 한 성분의 흡착 선택도는, 예를 들어, 가스 혼합물의 성분들의 흡착 등온선들이 눈에 띄게 다를 때는 입체 효과(steric effect)에 기인하고, 성분들이 실질적으로 다른 흡착 속도를 가질 때는 동력학적 효과(kinetic effect)에 기인한다.Adsorption selectivity of one component to another is calculated as the ratio of gas volumes adsorbed at a given pressure and temperature. The adsorption selectivity of one component is due to, for example, a steric effect when the adsorption isotherms of the components of the gas mixture are noticeably different and a kinetic effect when the components have substantially different adsorption rates. effect).

산소 및 질소 제조를 위한 흡착이 널리 이용되고 있고, 보다 높은 흡착 용량 및 선택도를 위한 흡착 공정을 개선하기 위해 엄청난 연구 노력이 쏟아지고 있다. 흡착제는 혼합물에 존재하는 다른 성분들 보다 혼합물 중의 하나 이상의 성분을 강하게 흡착함에 의해 분리에 영향을 준다.Adsorption for oxygen and nitrogen production is widely used, and tremendous research efforts are being made to improve the adsorption process for higher adsorption capacity and selectivity. The adsorbent affects separation by strongly adsorbing one or more components of the mixture than the other components present in the mixture.

흡착공정에 관계된 여러가지 상호작용하는 힘은 반데르발스 상호작용, 산-염기 상호작용, 수소 결합, 정전기, 킬레이션(chelation), 및 포접(clathration)이다. 따라서, 흡착제는 흡착제와 흡착물 분자 간의 상호작용을 향상시키기 위해 적절히 변경되어 흡착 용량과 선택도를 개선시킨다. 분자 크기의 기공을 갖는 결정질의 무기 다공성 물질인 제올라이트는 흡착 분리를 위해 널리 사용되어 왔다. 제올라이트의 잉여 골격 양이온은 적당히 유동적이기 때문에, 제올라이트에서 양이온 교환은 제올라이트 흡착물 상호작용을 향상시키기 위하여 적당한 크기 및 전하의 양이온으로의 표면 개질을 하는 가장 일반적인 사용 기술 중의 하나이다. 제올라이트에 대하여 수행되는 흡착제 개발 연구에 관한 문헌은 대부분의 보고된 연구가 잉여 골격 양이온으로서의 알칼리 및 알칼리 토 양이온에 한정된다는 것을 보여준다. 2가 이상의 양이온을 갖는 제올라이트에서 질소, 산소, 및 아르곤의 흡착이 드물게 보고된다. 3가 양이온이 더 큰 전하 밀도를 갖기 때문에, 이러한 양이온들이 질소 분자에 접근 가능한 위치에 존재한다면 그것들은 질소 분자와 더 큰 정전기적인 상호작용을 가질 것이다.The various interacting forces involved in the adsorption process are van der Waals interactions, acid-base interactions, hydrogen bonding, electrostatics, chelation, and clathration. Thus, the adsorbents are appropriately modified to improve the interaction between the adsorbent and adsorbate molecules to improve the adsorption capacity and selectivity. Zeolites, crystalline inorganic porous materials with molecular sized pores, have been widely used for adsorptive separation. Since the excess skeletal cations of zeolites are moderately fluid, cation exchange in zeolites is one of the most common techniques of use for surface modification of cations of suitable size and charge to enhance zeolite adsorbate interactions. The literature on adsorbent development studies carried out on zeolites shows that most reported studies are limited to alkali and alkaline earth cations as redundant skeletal cations. Adsorption of nitrogen, oxygen, and argon is rarely reported in zeolites having bivalent or higher cations. Because trivalent cations have greater charge densities, if these cations are present in positions accessible to the nitrogen molecule, they will have greater electrostatic interaction with the nitrogen molecule.

공기로부터 산소, 질소, 및 아르곤의 분리, 제거, 또는 농축의 주요 특성은 일반적으로 공기인 출발 물질에 대한 비용이 없다는 것이다. 생성되거나 제거되는 원하는 가스의 비용은 하기 다른 인자들에 본질적으로 의존한다.The main property of the separation, removal, or concentration of oxygen, nitrogen, and argon from air is that there is no cost for starting materials, which are typically air. The cost of the desired gas to be produced or removed depends essentially on the other factors below.

(a) 상기 가스를 분리하거나 농축시키는데 필요한 장치의 비용,(a) the cost of the apparatus necessary to separate or concentrate the gas,

(b) 상기 장치를 운전하는데 필요한 에너지 비용,(b) the energy costs required to operate the device,

(c) 고순도를 가진 가스가 요구될 때, 고려되어야 하는 추가 정제 단계의 비용.(c) The cost of additional purification steps to be considered when gas with high purity is required.

상기 인자들을 고려하여, 다양한 경제적으로 유리한 공정들이 지금까지 제안되었다. 이러한 공정들은, 예를 들어, 액체 산소(-182.9℃) 및 액체 질소(-195.8℃) 간의 끓는점 차이를 이용하여 산소 또는 질소를 분리하기 위해 공기가 저온에서 액화되는 공정을 포함한다. 사용된 장치는 이 방법에 기초하여 다량의 산소 및 질소를 제조하는데 적합하다. 상기 공정의 단점들은 다량의 전력을 요구하고, 대규 모 장치가 위치 특이적으로 필요하며 휴대성이 매우 낮고, 공장을 가동시키고 멈추는데 수시간이 소요된다는 것이다. 지난 20년간, 공기로부터 산소, 질소의 분리를 위한 공정에 기초한 흡착 및 막(membrane)이 가능성 있는 대안으로 나타났다.In view of these factors, various economically advantageous processes have been proposed so far. Such processes include a process in which air is liquefied at low temperatures to separate oxygen or nitrogen using, for example, a boiling point difference between liquid oxygen (-182.9 ° C.) and liquid nitrogen (−195.8 ° C.). The apparatus used is suitable for producing large amounts of oxygen and nitrogen based on this method. Disadvantages of the process are that it requires a large amount of power, a large device is location-specific, very portable, and takes hours to start and stop the plant. Over the past two decades, adsorption and membrane based processes for the separation of oxygen and nitrogen from air have emerged as possible alternatives.

막 시스템이 공기로부터 산소 및 질소를 분리하기 위해 사용되었다. 헤이스 등(Hayes et al.)등의 미국등록특허 5,091,216(1992), 하스 등(Haas et al.)의 미국등록특허 5,004,482(1991) 및 카츠 등(Katz et al.)의 미국특허출원 2,038,62(2002)은 고분자 형태 막을 사용하여 공기로부터 산소 및 질소를 분리하는 것을 개시한다. 막에 기초한 시스템은 매우 높은 압력에서 작동한다. 이 방법의 주요 단점은 얇은 고분자 막이 분리를 위해 요구되는 높은 가스압 차이를 유지하기에는 너무 약해서 생성물 가스의 순도가 약 50%에 불과하다는 것이다.Membrane systems were used to separate oxygen and nitrogen from air. U.S. Patent No. 5,091,216 (1992) to Hayes et al., U.S. Patent No. 5,004,482 (1991) to Haas et al., And U.S. Patent Application No. 2,038,62 to Katz et al. (2002) discloses the separation of oxygen and nitrogen from air using polymeric form membranes. Membrane based systems operate at very high pressures. The main disadvantage of this method is that the thin polymer membrane is too weak to maintain the high gas pressure differential required for separation, resulting in only about 50% purity of the product gas.

선행 기술에서, 산소 및 아르곤과 질소의 혼합물로부터 질소에 대하여 선택적인 흡착제가 보고되었다[Reiss의 미국등록특허 5,114,440(1992)], [Coe 등의 미국등록특허 4,481,018(1984), Sircar 등의 미국등록특허 4,557,736, Chao, Chien-Chung의 미국등록특허 4,859,217(1989), Coe 등의 미국등록특허 5,152,813(1992), Chao, Chien-Chung 등의 미국등록특허 5,174,979(1992), Chao, Chien-Chung의 미국등록특허 5,454,857(1995), Fitch 등의 미국등록특허 5,464,467(1995), Chao, Chien-Chung의 미국등록특허 5,698,013(1997), Ogawa 등의 미국등록특허 5,868,818(1999), Choudary 등의 미국등록특허 6,030,916(2000), Chao, Chien-Chung, Gerhard의 미국등록특허 4,964,889(1990), Coe 등의 미국등록특허 4,943,304(1990)], 및 Jain 등의 미국등록특허 6,231,644(2001)]. 상기 흡착제에 서, A 형태의 제올라이트, 푸조사이트(faujasite), 클리노프틸로라이트(clinoptilolite), 샤바자이트(chabazite), 및 모노리스(monolith) 각각이 사용되었다. 잉여 골격 양이온을 알칼리 및/또는 알칼리 토 금속 양이온으로 교환하여 제올라이트의 잉여 골격 양이온의 수를 증가시킴으로써 흡착 용량 및 선택도를 향상시키려는 노력들이 보고되었다. 또한 질소에 대한 흡착 선택도는 푸조사이트(faujasite) 형태 제올라이트에서 제올라이트를 리튬 및/또는 칼슘과 같은 양이온들로 교환시킴에 의해 실질적으로 향상되었다. 이러한 흡착제들은 공기로부터 질소를 선택적으로 제거함으로써 산소의 분리 또는 농축을 하기 위한 공정에 사용되었다. 이러한 흡착제들의 단점은 흡착 공정에 의해 최대 달성 가능한 산소 순도가 약 95%인데, 이는 공기에 존재하는 0.934몰%의 아르곤의 분리가 100% 산소 순도를 달성하는데 제한 인자가 되기 때문이다. 이러한 흡착제들은 또한 습기에 매우 민감하여 흡착 용량 및 선택도는 습기의 존재로 감소할 것이다.In the prior art, selective adsorbents for nitrogen from oxygen and mixtures of argon and nitrogen have been reported [Reiss U.S. Patent 5,114,440 (1992)], Coe et al. U.S. Patent 4,481,018 (1984), Sircar et al. Patent 4,557,736, Chao, Chien-Chung, U.S. Patent 4,859,217 (1989), Coe et al., US Patent 5,152,813 (1992), Chao, Chien-Chung, U.S. Patent 5,174,979 (1992), Chao, Chien-Chung, United States Patent 5,454,857 (1995), US Patent 5,464,467 (1995) by Fitch et al., US Patent 5,698,013 (1997) by Chao, Chien-Chung, US Patent 5,868,818 (1999) by Ogawa et al., US Patent 6,030,916 by Choudary et al. (2000), US Patent 4,964,889 (1990) to Chao, Chien-Chung, Gerhard, US Patent 4,943,304 (1990) to Coe et al., And US Patent 6,231,644 (2001) to Jain. In the adsorbents, A type zeolite, faujasite, clinoptilolite, chabazite, and monolith, respectively, were used. Efforts have been reported to improve adsorption capacity and selectivity by exchanging excess skeletal cations with alkali and / or alkaline earth metal cations to increase the number of excess skeletal cations of the zeolite. Adsorption selectivity to nitrogen was also substantially improved by exchanging the zeolite with cations such as lithium and / or calcium in the faujasite form zeolite. These adsorbents have been used in processes for the separation or concentration of oxygen by selectively removing nitrogen from air. The disadvantage of these adsorbents is about 95% maximum oxygen purity achievable by the adsorption process because the separation of 0.934 mole percent argon present in air is a limiting factor in achieving 100% oxygen purity. These adsorbents are also very sensitive to moisture so that the adsorption capacity and selectivity will decrease with the presence of moisture.

이즈미 등(Izumi et al.)의 미국등록특허 4,453,952(1984)는 제올라이트 A의 나트륨 양이온을 K 및 Fe(II)로 치환함에 의한 산소 선택성 흡착제의 제조를 개시한다. 상기 흡착제는 오직 저온에서의 산소 선택도를 보여주며 그것의 제조는 금속 이온의 염 수용액을 사용하여 약 80℃에서 수행된 철 교환과 이후의 칼륨과의 교환을 필요로 한다. 이 발명의 단점은 제올라이트에서의 칼륨 교환이 보다 낮은 흡착제의 열 및 수열 안정도(thermal and hydrothermal stability)로 이끈다는 것이다.U.S. Patent 4,453,952 (1984) to Izumi et al. Discloses the preparation of oxygen selective adsorbents by replacing the sodium cations of zeolite A with K and Fe (II). The adsorbent only shows oxygen selectivity at low temperatures and its preparation requires the exchange of iron and subsequent potassium exchange carried out at about 80 ° C. using an aqueous salt solution of metal ions. A disadvantage of this invention is that potassium exchange in zeolite leads to lower thermal and hydrothermal stability of the adsorbent.

문즈너 등(Munzner et al.)의 미국등록특허 3,979,330은 탄화수소로부터 탄소를 떼어내기 위하여 5% 이하의 휘발성 성분을 함유하는 코크스가 600~900℃에서 처리되는 탄소 함유 분자체의 제조를 개시한다. 떼어진 탄소는 코크스의 탄소 골격에 침적되어 기존의 기공을 좁게 한다. 이 공정의 단점은 카본 골격 상의 침적이 균일하지 않으며 매우 에너지 집약적인 공정이라는 것이다.U.S. Patent No. 3,979,330 to Munzner et al. Discloses the preparation of carbon-containing molecular sieves wherein coke containing up to 5% of volatile components is treated at 600-900 ° C to remove carbon from hydrocarbons. The released carbon is deposited in the carbon framework of the coke to narrow existing pores. The disadvantage of this process is that the deposition on the carbon skeleton is not uniform and is a very energy intensive process.

오사키 등(Ohsaki et al.)의 미국등록특허 4,742,040은 바인더로서 소량의 콜 타르를 함유하는 숯 분말을 펠렛화(pelletising), 탄화, 가용성 성분 제거를 위한 산 용액에서의 세척, 특정량의 크레오소트(creosote) 또는 기타 방향족 화합물의 첨가, 950~1000℃에서의 가열, 그리고 불활성 가스에서의 냉각에 의해 증가된 흡착 용량 및 선택도를 갖는 탄소 분자체의 제조공정을 개시한다. 이 공정의 단점은 에너지 집약적이고 복잡하며 유기 화합물들이 비싸다는 것이다.US Pat. No. 4,742,040 to Ossaki et al. Discloses charcoal powders containing a small amount of coal tar as binders, pelletizing, carbonizing, washing in acid solutions for removal of soluble components, specific amounts of creosote Disclosed is a process for preparing carbon molecular sieves with increased adsorption capacity and selectivity by addition of creosote or other aromatic compounds, heating at 950-1000 ° C., and cooling in an inert gas. The disadvantage of this process is that it is energy intensive and complex and the organic compounds are expensive.

크노브라우치 등(Knoblauch et al.)의 미국등록특허 4,880,765는 진동 오븐에서 불활성 가스 및 증기로 탄소질 생성물을 다단계로 처리한 후 그것을 고온에서 벤젠으로 더 처리함에 의해 존재하는 기공을 좁게함으로써 균일한 품질 및 양호한 분리 특성을 갖는 탄소 분자체를 제조하는 공정을 개시한다. 탄소 분자체의 제조는 완전히 재생가능한 탄소 분자체를 얻기 위하여 각 단계에서 극도의 주의를 하는 다단계 공정이다. 더욱이, 상기 공정은 보다 높은 제품 비용을 초래하는 매우 고온 공정이다.U.S. Patent No. 4,880,765 to Knoblauch et al. Discloses uniform treatment by narrowing the pores present by treating the carbonaceous product in multiple stages with inert gas and steam in a vibration oven and then further treating it with benzene at high temperature. A process for producing a carbon molecular sieve having quality and good separation properties is disclosed. The production of carbon molecular sieves is a multi-step process with extreme care at each stage to obtain fully reproducible carbon molecular sieves. Moreover, the process is a very high temperature process resulting in higher product costs.

샤마 등(Sharma et al.)의 미국등록특허 5,081,097(1992)은 공기로부터 산소의 선택적인 제거를 위한, 구리로 개질된 탄소 분자체(copper modified carbon molecular sieve)를 개시한다. 상기 분자체는 구리 함유 물질과 다관능성 알코올의 혼합물의 열분해에 의해 흡착제 전구체(sorbent precursor)를 형성함으로써 제조된 다. 이후, 흡착제 전구체는 가열되고 환원되어 구리로 개질된 탄소 분자체를 생성한다. 열분해는 흡착제 제조의 전체 공정을 에너지 집약적 공정으로 만드는 고온 공정이다.US Pat. No. 5,081,097 (1992) to Sharma et al. Discloses a copper modified carbon molecular sieve for the selective removal of oxygen from air. The molecular sieve is prepared by forming an sorbent precursor by pyrolysis of a mixture of a copper containing material and a polyfunctional alcohol. The adsorbent precursor is then heated and reduced to produce carbon molecular sieves modified with copper. Pyrolysis is a high temperature process that makes the entire process of adsorbent manufacture an energy intensive process.

쇼우다리 등(Choudary et al.)의 미국등록특허 6,087,289(2000)는 가스 혼합물로부터 산소의 선택적인 흡착을 위한, 세륨 양이온을 함유하는, 제올라이트계 흡착제 제조공정을 개시한다. 제올라이트로의 세륨 교환은 4~8시간 동안 약 80℃에서 세륨염 수용액을 사용하고, 이온 교환 공정을 2~3회 반복하여 환류(reflux) 조건하에서 수행되며 가스들의 분리는 매우 낮은 압력 범위에서 가스 크로마토그래피에 의해 연구된다. 이 흡착제의 주요 단점은 낮은 압력 범위에서만 얻어지는 산소 선택도이다. 더욱이, 흡착은 제한된 압력 범위에서 가스 크로마토그래피에 의해서만 연구되었다. 따라서, 보다 높은 압력 범위 흡착 데이터는 얻어지지 않았다.Schoudary et al., US Pat. No. 6,087,289 (2000), discloses a process for preparing zeolitic adsorbents containing cerium cations for the selective adsorption of oxygen from gas mixtures. Cerium exchange to zeolite is carried out under reflux conditions using an aqueous solution of cerium salt at about 80 ° C. for 4 to 8 hours, repeated 2-3 times in an ion exchange process, and separation of gases is carried out at very low pressure ranges. It is studied by chromatography. The main disadvantage of this adsorbent is the oxygen selectivity obtained only in the low pressure range. Moreover, adsorption was only studied by gas chromatography in a limited pressure range. Thus, no higher pressure range adsorption data was obtained.

또 다른 접근법에서, 화학 기상 증착 기술이 실리콘 알콕사이드의 침전에 의해 제올라이트의 기공 개구 크기를 조절하기 위하여 사용되었다[M. Niwa 등, JCS Farady Trans. I, 1984, 80, 3135-3145; M. Niwa 등, M. Niwa 등, J. Phys. Chem., 1986, 90, 6233-6237; Chemistry Letters, 1989, 441-442; M. Niwa 등, Ind. Eng. Chem. res., 1991, 30, 38-42; D. Ohayon 등, Applied Catalysis A-General, 2001, 217, 241-251]. 화학 기상 증착은 유리 반응기에서 필요량의 제올라이트를 취함에 의해 수행되는데, 이는 질소 플로우와 같은 불활성 가스하에서 인-시투로 450℃에서 열적으로 활성화된다. 실리콘 알콕사이드의 증기는 불활성 가스 스트림으로 연속적으로 주입되며, 이 스트림은 알콕사이드가 제올라이트의 실라놀 그룹과 화학적 으로 반응하는 제올라이트 표면으로 상기 증기를 운반한다. 알콕사이드의 원하는 양이 제올라이트 상에 침적되면, 시료는 4~6시간 동안 공기 중에서 550℃로 가열되고, 이후 주변 온도로 떨어져 흡착을 위해 사용된다. 이 기술의 주요 단점들은 (i) 알콕사이드의 비균일 코팅으로 이끄는 화학 기상 증착이 비균일 기공 입구 폐쇄를 초래하고, (ii) 상기 공정은 알콕사이드가 기화되기 쉬운 증가된 온도에서 수행되어야 한다는 것이다.In another approach, chemical vapor deposition techniques have been used to control the pore opening size of zeolites by precipitation of silicon alkoxides [M. Niwa et al., JCS Farady Trans. I, 1984, 80, 3135-3145; M. Niwa et al., M. Niwa et al., J. Phys. Chem., 1986, 90, 6233-6237; Chemistry Letters, 1989, 441-442; M. Niwa et al., Ind. Eng. Chem. res., 1991, 30, 38-42; D. Ohayon et al., Applied Catalysis A-General, 2001, 217, 241-251. Chemical vapor deposition is performed by taking the required amount of zeolite in a glass reactor, which is thermally activated at 450 ° C. in-situ under an inert gas such as a nitrogen flow. The vapor of the silicon alkoxide is continuously injected into an inert gas stream, which carries the vapor to the zeolite surface where the alkoxide chemically reacts with the silanol groups of the zeolite. Once the desired amount of alkoxide is deposited on the zeolite, the sample is heated to 550 ° C. in air for 4-6 hours and then dropped to ambient temperature and used for adsorption. The main drawbacks of this technique are that (i) chemical vapor deposition leading to non-uniform coating of alkoxides results in non-uniform pore inlet closure, and (ii) the process must be carried out at increased temperatures where alkoxides are likely to vaporize.

블라이 등(Bligh et al.)의 미국등록특허 4,239,509(1980)는 산소와 아르곤을 분리하기 위해 미량 및 0.15 부피% 사이로 원료 아르곤내의 질소의 양을 줄이는 단계 및 잔여 질소와 함께 잔류하는 산소 및 아르곤을 4A 분자체에 통과시켜 산소와 아르곤을 분리시키는 단계를 포함하는 아르곤, 산소, 및 질소를 함유하는 원료 아르곤의 정제방법을 개시한다. 모든 잔류하는 산소 및 질소는 전체적으로 -250F에 또는 그 이하에 있는 4A 분자체의 용적을 통과해야 한다. 이 공정의 단점은 흡착 공정이 -157℃(-250F) 온도에서 수행되고, 장치의 배열이 매우 낮은 온도 분리를 위해 복잡하다는 것인데, 그것은 경제적으로 허용될 수 없다.Bligh et al., US Pat. No. 4,239,509 (1980), describes the steps of reducing the amount of nitrogen in the raw material argon between traces and 0.15% by volume to separate oxygen and argon and reducing the residual oxygen and argon with residual nitrogen. Disclosed is a method for purifying raw material argon containing argon, oxygen, and nitrogen, which comprises passing through 4A molecular sieve to separate oxygen and argon. All remaining oxygen and nitrogen must pass through a volume of 4A molecular sieve at or below -250F as a whole. The disadvantage of this process is that the adsorption process is carried out at -157 ° C (-250F) temperature, and the arrangement of the device is complicated for very low temperature separation, which is economically unacceptable.

쿠마르 등(Kumar et al.)의 미국등록특허 4,447,265(1984)는, 혼합된 가스가 질소의 흡착을 위한 열역학적 선택도를 갖는 흡착제 베드로 통과되고 이후 흡착되지 않은 부분은 산소를 보유하는 것에 대한 동력학적 선택도(kinetic selectivity)를 갖는 제2의 흡착제 베드로 통과되는 진공 진동 흡착(VSA)에 의해, 산소와 질소의 혼합물에 아르곤을 포함하는 가스 스트림으로부터 아르곤이 분리되는 것을 개시한다. 두 흡착제 베드들은 진공 탈착에 의해 재생되는데, 이러한 진공 탈착은 제2 베드 보다 제1 베드에 더 긴 시간 동안 적용된다. VSA 유닛에 공급되는 혼합된 가스 스트림은 저온 공기 분리 공장과 관련된 원료 아르곤 칼럼으로부터 얻어진 것일 수 있고, VSA 유닛으로부터의 폐가스는 저온 공기 분리 공장의 주요 칼럼으로 리사이클 될 수 있으며, 따라서, 아르곤 회수를 향상시킬 수 있다. 이 공정의 단점은 흡착제의 재생이 시간을 소비하는 공정이고 또한 더 많은 아르곤의 회수를 위해 저온 유닛이 요구되며, 그렇지 않으면 회수가 낮다는 것이다.Kumar et al., US Pat. No. 4,447,265 (1984), describes the kinetics for passing mixed gas through an adsorbent bed with thermodynamic selectivity for adsorption of nitrogen and then the unadsorbed portion retaining oxygen. Vacuum vibration adsorption (VSA) through a second adsorbent bed with kinetic selectivity initiates the separation of argon from a gas stream comprising argon in a mixture of oxygen and nitrogen. Both adsorbent beds are regenerated by vacuum desorption, which vacuum desorption is applied to the first bed for a longer time than the second bed. The mixed gas stream supplied to the VSA unit may be from the raw argon column associated with the cold air separation plant, and the waste gas from the VSA unit may be recycled to the main column of the cold air separation plant, thus improving argon recovery. You can. The disadvantage of this process is that the regeneration of the adsorbent is a time consuming process and also requires a low temperature unit to recover more argon, otherwise the recovery is low.

하야시 등(Hayashi et al.)의 미국등록특허 4,529,412(1985)는 압력-진동-흡착에 의해 공기로부터 고순도의 아르곤을 얻는 공정을 개시한다. 공기는 초기에는 제올라이트 분자체가 패킹된 흡착 기구로 통과되고, 이후 다시 탄소 분자체가 패킹된 흡착 기구로 통과되며, 이후 압력-진동-흡착 조작에 가해져 농축된 아르곤과 고순도 산소를 동시에 얻는다. 이 공정의 단점은 흡착 베드들이 요구되고 공정이 더 긴 시간이 소요된다는 것이다. 게다가, 상기 공정에서 두개의 베드가 제조될 필요가 있고 따라서 제조비용이 증가한다는 것이다.Hayashi et al., US Pat. No. 4,529,412 (1985), discloses a process for obtaining high purity argon from air by pressure-vibration-adsorption. Air is initially passed through a adsorption mechanism packed with zeolite molecular sieves, and then through an adsorption mechanism packed with carbon molecular sieves, and then subjected to a pressure-vibration-adsorption operation to simultaneously obtain concentrated argon and high purity oxygen. The disadvantage of this process is that adsorptive beds are required and the process takes longer. In addition, two beds need to be manufactured in the process, thus increasing the manufacturing cost.

아그라왈 등(Agrawal et al.)의 미국등록특허 4,817,392(1989)는 아르곤과 산소를 함유하는 가스 혼합물로부터 O2가 결핍된 아르곤 스트림의 제조 및 회수를 위한 공정을 개시한다. 아르곤 함유 가스 혼합물은 초기에는 저온 분리 유닛에서 처리되어 80~90% 사이의 아르곤 농도를 갖는 원료 아르곤 스트림을 생산한다. 이후, 원료 아르곤 스트림은, 그것이 O2 결핍 아르곤 스트림과 O2 풍부 스트림을 생산하기 위해 분리되는, 막에 기초한 분리 유닛으로 통과된다. O2 풍부 스트림은 저온 분리 유닛으로 리사이클되고 Ar 결핍 산소 스트림은 제품으로서 회수되거나 더 정제된다. 이 공정의 단점은 그것이 막에 기초한 분리를 요구하고, 따라서 제조비용을 증가시킨다는 것이다.Agrawal et al., US Pat. No. 4,817,392 (1989), discloses a process for the preparation and recovery of O 2 deficient argon streams from gas mixtures containing argon and oxygen. The argon containing gas mixture is initially processed in a low temperature separation unit to produce a raw argon stream having an argon concentration between 80 and 90%. The raw argon stream is then passed to a membrane based separation unit where it is separated to produce an O 2 deficient argon stream and an O 2 rich stream. The O 2 rich stream is recycled to a low temperature separation unit and the Ar deficient oxygen stream is recovered as a product or further purified. The disadvantage of this process is that it requires membrane based separation, thus increasing the manufacturing cost.

프라사드 등(Prasad et al.)의 미국등록특허 5,557,951은 고체 전해질 이온 또는 혼합 전도체 막과 결합하여 저온 아르곤 칼럼을 사용하여 아르곤 함유 스트림으로부터 고순도 제품 등급 아르곤을 제조하는 장치를 개시한다. 이 공정의 단점은 아르곤의 회수가 두개의 공정에 의해 달성될 수 있고-하나는 저온 분리 그리고 다른 하나는 막 분리, 따라서 제조비용을 증가시킨다는 것이다.US Pat. No. 5,557,951 to Prasad et al. Discloses a device for producing high purity product grade argon from an argon containing stream using a low temperature argon column in combination with a solid electrolyte ion or mixed conductor membrane. The disadvantage of this process is that the recovery of argon can be achieved by two processes-one at low temperature and the other at membrane separation, thus increasing the manufacturing cost.

첸 등(Chen et al.)의 미국등록특허 RE 34, 595(1994)는 아르곤 가스, 특히 공기를 저온학적으로 분리하고 막을 통한 산소의 선택적인 투과에 의해 아르곤으로부터 산소를 제검함으로써 얻어진 아르곤 가스 스트림의 정제방법을 개시한다. 상기 공정에서, 아르곤 가스는 가열되고 압축되며, 이후 가스의 다른 성분들에 우선하여 산소의 투과에 선택적인 고체 전해질 막을 통해 투과된다. 정제된 아르곤은 이후 질소와 같은 다른 성분들을 제거하기 위하여 증류될 수 있다. 산소 및 질소가 원료 벌크 아르곤 스트림, 특히 공기의 저온, 흡착, 또는 막 분리에 의해 제조된 아르곤 스트림으로부터 제거되는 정제된 아르곤 스트림의 생산공정이 제공된다. 상기 공정은 질소 및 산소를 함유하는 가열되고 압축된 원료 아르곤 스트림을, 산소의 투과에 선택적인 고체 전해질 막을 통해 상기 압축되고 가열된 아르곤 스트림을 통과시킴에 의해 산소 투과 스트림 및 산소 결핍 아르곤 스트림으로 분리하는 단계를 포함한다. 이후, 산소 결핍 아르곤 스트림은 상기 산소 결핍 아르곤 스트림으로 부터 질소를 분리하기 위해 증류 칼럼으로 공급되어 정제된 아르곤 스트림과 질소 폐기물 스트림을 형성한다.Chen et al., US Patent RE 34, 595 (1994), discloses an argon gas stream, in particular an argon gas stream obtained by cryogenically separating air and filtering oxygen from argon by selective permeation of oxygen through the membrane. Disclosed is a purification method. In this process, the argon gas is heated and compressed and then permeated through the solid electrolyte membrane which is selective for the permeation of oxygen in preference to the other components of the gas. Purified argon may then be distilled to remove other components such as nitrogen. A process for the production of a purified argon stream is provided in which oxygen and nitrogen are removed from the raw bulk argon stream, especially the argon stream produced by low temperature, adsorption, or membrane separation of air. The process separates a heated and compressed raw argon stream containing nitrogen and oxygen into an oxygen permeate stream and an oxygen depleted argon stream by passing the compressed and heated argon stream through a solid electrolyte membrane that is selective for the transmission of oxygen. It includes a step. The oxygen depleted argon stream is then fed to a distillation column to separate nitrogen from the oxygen depleted argon stream to form a purified argon stream and a nitrogen waste stream.

본 발명의 목적은 상술한 단점들을 미연에 방지할 수 있는, 공기로부터 산소의 선택적인 흡착을 위한 분자체 흡착제의 제조 공정을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a process for the preparation of molecular sieve adsorbents for the selective adsorption of oxygen from air, which can obviate the aforementioned disadvantages.

본 발명의 다른 목적은 산소 선택적인 제올라이트계 흡착제를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an oxygen selective zeolitic adsorbent.

본 발명의 또 다른 목적은 제올라이트 X에서 희토류 양이온, 특히 세륨, 유로퓸, 및 가돌리늄을 교환함에 의해 제조될 수 있는 흡착제를 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide an adsorbent which can be prepared by exchanging rare earth cations in zeolite X, in particular cerium, europium, and gadolinium.

본 발명의 또 다른 목적은 제올라이트 X의 간단한 합성후 개질(post-synthesis modification)에 의해 산소 선택적인 흡착제를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an oxygen selective adsorbent by simple post-synthesis modification of zeolite X.

본 발명의 또 다른 목적은 평형 흡착 압력을 조절함에 의해 산소의 탈착에 의해 재생될 수 있는 흡착제를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an adsorbent that can be regenerated by the desorption of oxygen by adjusting the equilibrium adsorption pressure.

본 발명의 또 다른 목적은 아르곤에 비하여 산소에 대하여 높은 선택도를 가지며 아르곤의 분리 및 정제용으로 상업적으로 될 수 있는 흡착제를 제공하는 것이다. It is a further object of the present invention to provide an adsorbent which has a high selectivity for oxygen relative to argon and can be commercially available for the separation and purification of argon.

본 발명은 나트륨 제올라이트 X의 분말 및 펠렛 형태를, 증가된 온도에서 세륨, 유로퓸, 및 가돌리늄과 같은 희토류 양이온의 수용액으로 교환함으로써 공기로부터 산소의 선택적인 흡착을 위한 분자체 흡착제의 제조 공정을 제공한다. 총 교환가능한 나트륨 양이온 중 20 내지 95% 희토류 양이온을 함유하는 건조한 제올라이트 X가, 고온 및 진공에서 활성화 후 Micrometrics Corporation USA에 의해 공급된 흡착 장치(Model ASAP 2010)의 정적 부피 측정 시스템을 사용하여 산소, 질소, 및 아르곤에 대한 흡착 연구를 하였다. 산소, 질소, 및 아르곤에 대한 희토류로 교환된 제올라이트의 흡착 용량 및 선택도는 15℃와 0.5 내지 760mmHg의 압력 범위에서 측정되었다. 이러한 데이터로부터 흡착 등온선이 그려졌고 가스들 중 순수 성분 선택도가 계산되었다. 본 발명은 질소 및 아르곤에 우선하여 산소에 대한 선택도를 갖는 제올라이트 흡착제를 제조하는 공정을 제공한다.The present invention provides a process for the preparation of molecular sieve adsorbents for the selective adsorption of oxygen from air by exchanging the powder and pellet forms of sodium zeolite X with aqueous solutions of rare earth cations such as cerium, europium, and gadolinium at increased temperatures. . Dry zeolite X containing 20 to 95% rare earth cations in total exchangeable sodium cations was subjected to oxygen, using a static volumetric system of adsorption apparatus (Model ASAP 2010) supplied by Micrometrics Corporation USA after activation at high temperature and vacuum. Adsorption studies on nitrogen, and argon were made. Adsorption capacities and selectivities of zeolites exchanged with rare earths for oxygen, nitrogen, and argon were measured at 15 ° C. and pressure ranges from 0.5 to 760 mmHg. From these data, adsorption isotherms were drawn and pure component selectivity of the gases was calculated. The present invention provides a process for preparing zeolite adsorbents having selectivity to oxygen in preference to nitrogen and argon.

따라서, 본 발명은 공기로부터 산소의 선택적인 흡착을 위한 분자체 흡착제를 제조하는 공정을 제공하며, 상기 공정은 하기 단계를 포함한다:Accordingly, the present invention provides a process for preparing a molecular sieve adsorbent for the selective adsorption of oxygen from air, the process comprising the following steps:

(i) 분말 또는 펠렛 형태의 제올라이트 X를 세륨, 유로퓸, 가돌리늄, 및 이들의 임의의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 희토류 금속의 수용성 염으로 교환시키는 단계;(i) exchanging zeolite X in powder or pellet form with a water-soluble salt of a rare earth metal selected from the group consisting of cerium, europium, gadolinium, and any mixtures thereof;

(ii) 상기 혼합물을 여과하고, 교환된 제올라이트를 얻기 위하여 음이온이 없어질 때까지 상기 분말 또는 펠렛을 뜨거운 증류수로 세척하는 단계;(ii) filtering the mixture and washing the powder or pellet with hot distilled water until the anion is gone to obtain the exchanged zeolite;

(iii) 상기 교환된 제올라이트를 건조시키는 단계; 및(iii) drying the exchanged zeolite; And

(iv) 상기 교환된 제올라이트를 활성화시키는 단계.(iv) activating the exchanged zeolite.

본 발명의 한 실시예에서, 100% 결정화도를 갖는 분말 형태 및 구형 펠렛 형태의 제올라이트 X가 표면 개질된 분자체 흡착제의 제조를 위해 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, zeolite X in powder form and spherical pellet form with 100% crystallinity can be used for the preparation of surface modified molecular sieve adsorbents.

본 발명의 다른 실시예에서, 제올라이트의 Na 양이온은 염화물, 질산염 및 아세트산 염의 임의의 수용성 염을 사용하여 공급된 염 또는 희토류 이온 10 내지 100 등가 백분율(세륨, 유로퓸, 및 가돌리늄)로 교환되었다.In another embodiment of the present invention, the Na cation of the zeolite was exchanged with 10 to 100 equivalent percentages (cerium, europium, and gadolinium) or salts supplied with any water soluble salts of chloride, nitrate and acetate salts.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 양이온 교환은 4 내지 8시간 범위 동안 30 내지 90℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.In another embodiment of the invention, the cation exchange may be performed at a temperature in the range of 30 to 90 ° C. for a range of 4 to 8 hours.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 양이온 교환은 0.01 내지 0.1M 용액 범위의 양이온 농도에서 수행될 수 있다.In another embodiment of the present invention, cation exchange may be performed at a cation concentration in the range of 0.01 to 0.1M solution.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 교환된 제올라이트는 공기 또는 진공 조건하에서 20 내지 80℃의 온도 범위에서 건조될 수 있다.In another embodiment of the present invention, the exchanged zeolite may be dried in a temperature range of 20 to 80 ° C. under air or vacuum conditions.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 교환된 제올라이트는 3 내지 6 시간 범위의 주기 동안 350 내지 450℃의 온도 범위에서 활성화되고 이후 불활성 또는 진공 조건하에서 냉각될 수 있다.In another embodiment of the present invention, the exchanged zeolite can be activated at a temperature range of 350 to 450 ° C. for a period of 3 to 6 hours and then cooled under inert or vacuum conditions.

도 1은 제올라이트 X 펠렛 상의 질소, 아르곤, 및 산소의 15℃에서의 흡착 등온선을 나타낸다.1 shows adsorption isotherms of nitrogen, argon, and oxygen at 15 ° C. on zeolite X pellets.

도 2는 세륨으로 교환된 제올라이트 X 펠렛 상의 질소, 아르곤, 및 산소의 15℃에서의 흡착 등온선을 나타낸다.2 shows adsorption isotherms at 15 ° C. of nitrogen, argon, and oxygen on zeolite X pellets exchanged with cerium.

도 3은 유로퓸으로 교환된 제올라이트 X 펠렛 상의 질소, 아르곤, 및 산소의 15℃에서의 흡착 등온선을 나타낸다.3 shows adsorption isotherms at 15 ° C. of nitrogen, argon, and oxygen on zeolite X pellets exchanged with europium.

도 4는 가돌리늄으로 교환된 제올라이트 X 펠렛 상의 질소, 아르곤, 및 산소의 15℃에서의 흡착 등온선을 나타낸다.4 shows adsorption isotherms of nitrogen, argon, and oxygen at 15 ° C. on zeolite X pellets exchanged with gadolinium.

본 발명은 질소 및 아르곤에 우선하는 산소 흡착 선택도를 갖는 산소 선택적 흡착제의 제조를 위한 공정을 제공한다. 더욱이, 이러한 흡착제는 헨리 영역 I(Henry region I)에서 결정된 열 흡착치로부터 관찰될 때 질소 및 아르곤에 비해 산소와의 보다 큰 상호작용을 보여준다.The present invention provides a process for the preparation of an oxygen selective adsorbent having an oxygen adsorption selectivity prior to nitrogen and argon. Moreover, these adsorbents show greater interactions with oxygen as compared to nitrogen and argon when observed from the thermal adsorption values determined in Henry region I.

미세다공성 결정질의 알루미노실리케이트인 제올라이트는 밀접하게 관련된 분자 특성을 갖는 화합물들의 혼합물을 분리하기 위한 흡착제로서 점점 더 많이 응용되고 있다.Zeolites, microporous crystalline aluminosilicates, are increasingly being used as adsorbents to separate mixtures of compounds with closely related molecular properties.

제올라이트를 분리용으로 매력있게 만드는 속성들은 일반적으로 높은 열 및 수열 안정성, 균일한 기공 구조, 용이한 기공 구멍 변경, 및 심지어 낮은 흡착물 압력에서의 상당한 흡착 용량을 포함한다. 더욱이, 제올라이트는 비교적 온화한 수열 조건하에서 합성적으로 제조될 수 있다.Properties that make zeolites attractive for separation generally include high thermal and hydrothermal stability, uniform pore structure, easy pore pore changes, and even significant adsorption capacity at low adsorbate pressures. Moreover, zeolites can be prepared synthetically under relatively mild hydrothermal conditions.

제올라이트 NaX 분말 및 펠렛[Na86(AlO2)86(SiO2)106wH2O]이 출발 물질로 사용된다. X-선 회절 데이터는 출발 물질이 결정성이 높다는 것을 보여줬다. 기지량의 제올라이트 NaX 분말과 펠렛[Na86(AlO2)86(SiO2)106wH2O]이, 4시간 동안 80 내지 120℃에서 제올라이트 X 대 희토류 용액 비율 1:80으로 2 리터 둥근 바닥 플라스크에서 취해진 0.01M 희토류(Ce, Eu, 및 Gd) 아세테이트 및 염화물 용액과 함께 환류되었다. 다른 양의 희토류를 갖는 제올라이트 시료는 반복된 희토류 양이온 교환을 상기 제올라이트에 가함에 의해 제조되었다. 제올라이트 시료는 환류후에 여과되고 AgNO3 용액에 의해 테스트될 때 염화물이 없을 때까지 증류수로 세척되었다. 아세테 이트의 경우에, 열수(60℃)로 과잉 세척이 이루어졌다. 제올라이트 X로의 희토류 교환의 정도는 원 용액 및 여과액에서의 희토류 양이온의 농도로부터 결정된다. 희토류 양이온은 pH=6에서 아세트산 나트륨 완충액을 포함하며 자이레놀 오렌지 테트라 나트륨 염 지시약을 함유하는 0.01M EDTA 용액을 사용함에 의해 분석되었다.Zeolite NaX powder and pellets [Na 86 (AlO 2 ) 86 (SiO 2 ) 106 wH 2 O] are used as starting materials. X-ray diffraction data showed that the starting material was highly crystalline. Known zeolite NaX powder and pellet [Na 86 (AlO 2 ) 86 (SiO 2 ) 106 wH 2 O] were a two liter round bottom flask with zeolite X to rare earth solution ratio 1:80 at 80 to 120 ° C. for 4 hours. It was refluxed with 0.01 M rare earth (Ce, Eu, and Gd) acetate and chloride solutions taken at. Zeolite samples with different amounts of rare earths were prepared by adding repeated rare earth cation exchange to the zeolites. The zeolite sample was filtered after reflux and washed with distilled water until free of chloride when tested by AgNO 3 solution. In the case of acetate, an over wash was done with hot water (60 ° C.). The degree of rare earth exchange to zeolite X is determined from the concentration of rare earth cations in the original solution and the filtrate. Rare earth cations were analyzed by using a 0.01 M EDTA solution containing sodium acetate buffer at pH = 6 and containing xylenol orange tetra sodium salt indicator.

15℃에서 산소, 질소, 및 아르곤 흡착은 실시예에서 기술된 바와 같이 4 내지 8 시간 동안 진공하의 350 내지 450℃에서 시료를 활성화시킨 후, 정적 부피 측정 시스템(Micrometrics, USA. ASAP 2010)을 사용하여 측정되었다. 흡착물 가스의 첨가는 100 내지 760mmHg에 이르는 목표 압력 세트를 달성하기 위해 요구되는 부피에서 이루어졌다. 5초의 최소 평형 간격이 각 측정 포인트에 대한 평형을 결정하기 위하여 사용되었다.Oxygen, nitrogen, and argon adsorption at 15 ° C. was activated using a sample at 350 to 450 ° C. under vacuum for 4 to 8 hours as described in the Examples, followed by using a static volumetric system (Micrometrics, USA. ASAP 2010). Was measured. The addition of the adsorbate gas was at the volume required to achieve the target pressure set from 100 to 760 mmHg. A minimum equilibrium interval of 5 seconds was used to determine the equilibrium for each measurement point.

한 가스의 다른 가스(A 및 B)에 대한 순수 성분 선택도가 하기 식에 의해 결정되었다:The pure component selectivity of one gas to another (A and B) was determined by the formula:

αA/B = [VA/VB]P,T α A / B = [V A / V B ] P, T

상기 식에서, VA와 VB는 평형 압력 P 및 온도 T에서 흡착된 가스 A와 B의 부피이다.Where V A and V B are the volumes of gases A and B adsorbed at equilibrium pressure P and temperature T.

제올라이트 시료의 구조 분석은 제올라이트의 결정화도가 6, 10, 11, 8, 15.5, 20, 23.4, 26.8, 30.5, 31, 32, 및 33.8의 2θ(theta) 값에서 잘 정의된 피크의 강도로부터 측정되는 X 선 회절에 의해 행해졌다. X선 분말 회절은 XRK 900 반응 챔버를 장착한 PHILIPS X'pert MPD 시스템을 사용하여 측정되었다.Structural analysis of zeolite samples was determined from the well-defined peak intensities at 2θ (theta) values of 6, 10, 11, 8, 15.5, 20, 23.4, 26.8, 30.5, 31, 32, and 33.8. It was performed by X-ray diffraction. X-ray powder diffraction was measured using a PHILIPS X'pert MPD system equipped with an XRK 900 reaction chamber.

본 발명과 관련된 중요한 발명 단계들은 (i) 란탄족 수용액과의 교환, 및 양이온 교환 이외에 산소 분자와 선택적으로 상호작용하는 세륨/유로퓸/가돌리늄의 비화학양론적인 산화물을 형성함에 의한 제올라이트 동공안에서의 산소 선택적인 종들, 즉 분자체 흡착제의 형성공정과, (ii) 종래의 양이온 교환 이외에 새로운 흡착제를 개발하기 위한, 제올라이트의 미소기공에 흡착물에 특이적인 금속 산화물을 도입하는 새로운 기술을 제공하는 공정이다. 세륨 및 유로품과 같은 이러한 희토류의 비화학양론적인 산화물은 가역적으로 산소와 반응할 수 있고 가역적으로 산화 상태를 변경하여 화학흡착의 도움을 받는 흡착처럼 행동한다. 또한, 관찰된 흡착치의 높은 열은 산소 분자와의 화학 흡착 형태의 상호작용을 나타낸다.Important inventive steps related to the present invention include: (i) Oxygen in the zeolite pupil by forming a non-stoichiometric oxide of cerium / uropium / gadolinium which interacts with the oxygen molecules in addition to the exchange with an aqueous lanthanide solution and cation exchange A process for the formation of selective species, i.e. molecular sieve adsorbents, and (ii) a novel technique for introducing metal oxides specific to the adsorbate into the micropores of zeolites to develop new adsorbents in addition to conventional cation exchange. . Non-stoichiometric oxides of these rare earths, such as cerium and europium, can react reversibly with oxygen and act like adsorption with the aid of chemisorption by reversibly changing the oxidation state. In addition, the high heat of the observed adsorption indicates an interaction of chemisorption forms with oxygen molecules.

촉매의 흡착 용량은 15℃ 및 0.5 내지 800mmHg의 압력 범위에서 99.9%의 순도를 갖는 교환된 제올라이트 상에 질소, 산소, 및 아르곤 가스를 흡착시킨 다음 15℃ 및 100과 760mmHg의 압력에서 가스들의 흡착 선택도를 계산함에 의해 평가되고 실증되었다.The adsorption capacity of the catalyst was chosen to adsorb nitrogen, oxygen, and argon gas on an exchanged zeolite having a purity of 99.9% at 15 ° C. and a pressure range of 0.5 to 800 mmHg, followed by adsorption of gases at 15 ° C. and pressures of 100 and 760 mmHg. Evaluated and demonstrated by calculating degrees.

하기 실시예들은 예시를 위해 주어진 것이었고 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.The following examples are given for illustration only and therefore should not be construed as limiting the scope of the invention.

실시예Example -1-One

제올라이트 NaX 펠렛, [Na86(AIO2)86(SiO2)106wH2O]의 1.0 gm이 10-3mmHg의 진공하의 350℃에서 활성화되었고 흡착 측정은 5초의 평형 간격으로 760mmHg에서 운전되는 부피 측정 시스템(Micrometrics ASAP 2010C)를 사용하여 15℃에서 99.9%의 순 도를 갖는 N2 , O2 , 및 Ar에 대하여 수행되었다. N2 , O2 , 및 Ar에 대한 흡착 용량은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 각각 9.74cc/g, 3.31cc/g, 및 3.29cc/g이다. 15℃ 및 760mmHg의 압력에서 산소에 대한 질소의 선택도는 2.9이었고; 아르곤에 대한 질소의 선택도는 2.96이었으며, 아르곤에 대한 산소의 선택도는 1.0이었다.1.0 gm of zeolite NaX pellet, [Na 86 (AIO 2 ) 86 (SiO 2 ) 106 wH 2 O], was activated at 350 ° C. under a vacuum of 10 −3 mmHg and the adsorption measurement was run at 760 mmHg with an equilibrium interval of 5 seconds. The measurement system (Micrometrics ASAP 2010C) was used for N 2 , O 2 , and Ar with a purity of 99.9% at 15 ° C. Adsorption capacities for N 2 , O 2 , and Ar are 9.74 cc / g, 3.31 cc / g, and 3.29 cc / g, respectively, at a temperature of 15 ° C. and a pressure of 760 mmHg. The selectivity of nitrogen to oxygen at 15 ° C. and a pressure of 760 mmHg was 2.9; The selectivity of nitrogen to argon was 2.96 and the selectivity of oxygen to argon was 1.0.

실시예Example -2-2

분자체 NaX 펠렛의 25.0g이 1:80의 비율로 0.301M 아세트산 세륨 용액으로 교환되고 80℃에서 4시간 동안 환류되었다. 이 뜨거운 용액은 여과되고, 세척액에 에세트산 이온이 없어질 때까지 뜨거운 증류수로 세척되었으며 실온(28℃)의 공기중에서 건조되었다. 건조한 제올라이트량 중의 세륨 함량은 총 대체가능한 나트륨 양이온의 25%이었다. 이 제올라이트는 진공(10-3mmHg)하의 350℃ 온도에서 활성화되었고 활성화 후 시료의 무게는 0.17gm이었다. 흡착 측정은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 수행되었다. 산소에 대한 흡착 용량은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 2.4cc/g이었고, 100mmHg의 압력에서 아르곤에 대한 산소의 선택도는 1.0이었으며, 산소에 대한 질소의 선택도는 3.3이었고, 아르곤에 대한 질소의 선택도는 3.3이었다.25.0 g of molecular sieve NaX pellets were exchanged with 0.301 M cerium acetate solution at a ratio of 1:80 and refluxed at 80 ° C. for 4 hours. This hot solution was filtered, washed with hot distilled water until the wash liquor was free of acetic acid ions and dried in air at room temperature (28 ° C.). The cerium content in the dry zeolite amount was 25% of the total replaceable sodium cations. This zeolite was activated at 350 ° C. under vacuum (10 −3 mmHg) and the weight of the sample after activation was 0.17 gm. Adsorption measurements were performed at a temperature of 15 ° C. and a pressure of 760 mm Hg. Adsorption capacity for oxygen was 2.4 cc / g at 15 ° C. temperature and 760 mmHg pressure, oxygen selectivity to argon was 1.0, nitrogen selectivity to oxygen was 3.3, and nitrogen to argon at 100 mmHg pressure The selectivity of was 3.3.

실시예Example -3-3

분자체 NaX 펠렛의 25.0g이 1:80의 비율로 0.01M 아세트산 세륨 용액으로 교환되고 80℃에서 4시간 동안 환류되었다. 이 뜨거운 용액은 여과되고, 세척액에 에세트산 이온이 없어질 때까지 뜨거운 증류수로 세척되었으며 실온(28℃)의 공기중 에서 건조되었다. 건조한 제올라이트량 중의 세륨 함량은 총 대체가능한 나트륨 양이온의 84%이었다. 이 제올라이트는 진공(10-3mmHg)하의 350℃ 온도에서 활성화되었고 활성화 후 시료의 무게는 1.4gm이었다. 흡착 측정은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 수행되었다. 산소에 대한 흡착 용량은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 3.7cc/g이었고, 100mmHg의 압력에서 아르곤에 대한 산소의 선택도는 8.0이었으며, 산소에 대한 질소의 선택도는 0.4이었고, 아르곤에 대한 질소의 선택도는 3.5이었다.25.0 g of molecular sieve NaX pellets were exchanged with 0.01 M cerium acetate solution at a ratio of 1:80 and refluxed at 80 ° C. for 4 hours. This hot solution was filtered, washed with hot distilled water until the wash liquid was free of acetic acid ions and dried in air at room temperature (28 ° C.). The cerium content in the dry zeolite amount was 84% of the total replaceable sodium cations. This zeolite was activated at 350 ° C. under vacuum (10 −3 mmHg) and the weight of the sample after activation was 1.4 gm. Adsorption measurements were performed at a temperature of 15 ° C. and a pressure of 760 mm Hg. Adsorption capacity for oxygen was 3.7 cc / g at 15 ° C. temperature and 760 mmHg pressure, oxygen selectivity for argon was 8.0, nitrogen selectivity to oxygen was 0.4, and nitrogen to argon at 100 mmHg The selectivity of was 3.5.

실시예Example -4-4

분자체 NaX 펠렛의 25.0g이 1:80의 비율로 0.01M 염화 세륨 용액으로 교환되고 80℃에서 4시간 동안 환류되었다. 이 뜨거운 용액은 여과되고, 세척액에 염화 이온이 없어질 때까지 뜨거운 증류수로 세척되었으며 실온(28℃)의 공기중에서 건조되었다. 건조한 제올라이트량 중의 세륨 함량은 총 대체가능한 나트륨 양이온의 28%이었다. 이 제올라이트는 진공(10-3mmHg)하의 350℃ 온도에서 활성화되었고 활성화 후 시료의 무게는 0.58gm이었다. 흡착 측정은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 수행되었다. 흡착 측정은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 수행되었고 100mmHg의 압력에서 아르곤에 대한 산소의 선택도는 3.0이었으며, 산소에 대한 질소의 선택도는 1.3이었고, 아르곤에 대한 질소의 선택도는 4.0이었다.25.0 g of molecular sieve NaX pellets were exchanged with 0.01 M cerium chloride solution at a ratio of 1:80 and refluxed at 80 ° C. for 4 hours. This hot solution was filtered, washed with hot distilled water until the wash was free of chloride ions and dried in air at room temperature (28 ° C.). The cerium content in the dry zeolite amount was 28% of the total replaceable sodium cations. This zeolite was activated at 350 ° C. under vacuum (10 −3 mmHg) and the weight of the sample after activation was 0.58 gm. Adsorption measurements were performed at a temperature of 15 ° C. and a pressure of 760 mm Hg. Adsorption measurements were carried out at a temperature of 15 ° C. and a pressure of 760 mmHg with an oxygen selectivity of 3.0 for argon at a pressure of 100 mmHg, a selectivity of nitrogen to oxygen of 1.3 and a selectivity of nitrogen to argon of 4.0.

실시예Example -5-5

분자체 NaX 펠렛의 25.0g이 1:80의 비율로 0.01M 염화 세륨 용액으로 교환되 고 80℃에서 4시간 동안 환류되었다. 이 뜨거운 용액은 여과되고, 세척액에 염화 이온이 없어질 때까지 뜨거운 증류수로 세척되었으며 실온(28℃)의 공기중에서 건조되었다. 건조한 제올라이트량 중의 세륨 함량은 총 대체가능한 나트륨 양이온의 93%이었다. 이 제올라이트는 진공(10-3mmHg)하의 350℃ 온도에서 활성화되었고 활성화 후 시료의 무게는 0.53gm이었다. 흡착 측정은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 수행되었다. 산소에 대한 흡착 용량은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 3.1cc/g이었고, 100mmHg의 압력에서 아르곤에 대한 산소의 선택도는 3.5이었으며, 산소에 대한 질소의 선택도는 1.4이었고, 아르곤에 대한 질소의 선택도는 5.0이었다.25.0 g of molecular sieve NaX pellets were exchanged with 0.01 M cerium chloride solution at a ratio of 1:80 and refluxed at 80 ° C. for 4 hours. This hot solution was filtered, washed with hot distilled water until the wash was free of chloride ions and dried in air at room temperature (28 ° C.). The cerium content in the dry zeolite amount was 93% of the total replaceable sodium cations. This zeolite was activated at 350 ° C. under vacuum (10 −3 mmHg) and the weight of the sample after activation was 0.53 gm. Adsorption measurements were performed at a temperature of 15 ° C. and a pressure of 760 mm Hg. The adsorption capacity for oxygen was 3.1 cc / g at 15 ° C. temperature and 760 mmHg pressure, the selectivity of oxygen to argon was 3.5, the selectivity of nitrogen to oxygen was 1.4 and the nitrogen to argon at pressure of 100 mmHg The selectivity of was 5.0.

실시예Example -6-6

분자체 NaX 분말의 25.0g이 1:80의 비율로 0.014M 아세트산 세륨 용액으로 교환되고 80℃에서 4시간 동안 환류되었다. 이 뜨거운 용액은 여과되고, 세척액에 아세테이트 이온이 없어질 때까지 뜨거운 증류수로 세척되었으며 실온(28℃)의 공기중에서 건조되었다. 건조한 제올라이트량 중의 세륨 함량은 총 대체가능한 나트륨 양이온의 74%이었다. 이 제올라이트는 진공(10-3mmHg)하의 350℃ 온도에서 활성화되었고 활성화 후 시료의 무게는 0.13gm이었다. 산소에 대한 흡착 용량은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 4.6cc/g이었고, 100mmHg의 압력에서 아르곤에 대한 산소의 선택도는 4.0이었으며, 산소에 대한 질소의 선택도는 1.1이었고, 아르곤에 대한 질소의 선택도는 4.2이었다.25.0 g of molecular sieve NaX powder was exchanged with 0.014 M cerium acetate solution at a ratio of 1:80 and refluxed at 80 ° C. for 4 hours. This hot solution was filtered, washed with hot distilled water until the wash liquid was free of acetate ions and dried in air at room temperature (28 ° C.). The cerium content in the dry zeolite amount was 74% of the total replaceable sodium cations. This zeolite was activated at 350 ° C. under vacuum (10 −3 mmHg) and the weight of the sample after activation was 0.13 gm. The adsorption capacity for oxygen was 4.6 cc / g at 15 ° C. temperature and 760 mmHg pressure, the selectivity of oxygen to argon was 4.0, the selectivity of nitrogen to oxygen was 1.1, and the nitrogen to argon at 100 mmHg pressure. The selectivity of was 4.2.

실시예Example -7-7

분자체 NaX 펠렛의 25.0g이 1:80의 비율로 0.01M 아세트산 세륨 용액으로 교환되고 50℃에서 4시간 동안 환류되었다. 이 뜨거운 용액은 여과되고, 세척액에 아세테이트 이온이 없어질 때까지 뜨거운 증류수로 세척되었으며 실온(28℃)의 공기중에서 건조되었다. 건조한 제올라이트량 중의 세륨 함량은 총 대체가능한 나트륨 양이온의 20%이었다. 이 제올라이트는 진공(10-3mmHg)하의 350℃ 온도에서 활성화되었고 활성화 후 시료의 무게는 0.22gm이었다. 흡착 측정은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 수행되었다. 산소에 대한 흡착 용량은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 2.2cc/g이었고, 100mmHg의 압력에서 아르곤에 대한 산소의 선택도는 1.5이었으며, 산소에 대한 질소의 선택도는 2.2이었고, 아르곤에 대한 질소의 선택도는 3.2이었다.25.0 g of molecular sieve NaX pellets were exchanged with 0.01 M cerium acetate solution at a ratio of 1:80 and refluxed at 50 ° C. for 4 hours. This hot solution was filtered, washed with hot distilled water until the wash liquid was free of acetate ions and dried in air at room temperature (28 ° C.). The cerium content in the dry zeolite amount was 20% of the total replaceable sodium cations. This zeolite was activated at 350 ° C. under vacuum (10 −3 mmHg) and the weight of the sample after activation was 0.22 gm. Adsorption measurements were performed at a temperature of 15 ° C. and a pressure of 760 mm Hg. Adsorption capacity for oxygen was 2.2 cc / g at 15 ° C. temperature and 760 mm Hg pressure, oxygen selectivity for argon was 1.5, nitrogen selectivity to oxygen was 2.2, and nitrogen to argon at 100 mmHg pressure The selectivity of was 3.2.

실시예Example -8-8

분자체 NaX 펠렛의 25.0g이 1:80의 비율로 0.1M 아세트산 세륨 용액으로 교환되고 80℃에서 4시간 동안 환류되었다. 이 뜨거운 용액은 여과되고, 세척액에 아세테이트 이온이 없어질 때까지 뜨거운 증류수로 세척되었으며 실온(28℃)의 공기중에서 건조되었다. 건조한 제올라이트량 중의 세륨 함량은 총 대체가능한 나트륨 양이온의 30%이었다. 이 제올라이트는 진공(10-3mmHg)하의 350℃ 온도에서 활성화되었고 활성화 후 시료의 무게는 0.15gm이었다. 흡착 측정은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 수행되었다. 산소에 대한 흡착 용량은 15℃ 온도 및 760mmHg에서 3.2cc/g이었고, 100mmHg의 압력에서 아르곤에 대한 산소의 선택도는 2.0이었으며, 산소에 대한 질소의 선택도는 2.4이었고, 아르곤에 대한 질소의 선택도는 3.8이었다.25.0 g of molecular sieve NaX pellets were exchanged with 0.1 M cerium acetate solution at a ratio of 1:80 and refluxed at 80 ° C. for 4 hours. This hot solution was filtered, washed with hot distilled water until the wash liquid was free of acetate ions and dried in air at room temperature (28 ° C.). The cerium content in the dry zeolite amount was 30% of the total replaceable sodium cations. This zeolite was activated at 350 ° C. under vacuum (10 −3 mmHg) and the weight of the sample after activation was 0.15 gm. Adsorption measurements were performed at a temperature of 15 ° C. and a pressure of 760 mm Hg. The adsorption capacity for oxygen was 3.2 cc / g at 15 ° C. temperature and 760 mm Hg, the selectivity of oxygen to argon was 2.0, the selectivity of nitrogen to oxygen was 2.4, and the selection of nitrogen to argon at 100 mmHg pressure. Degree was 3.8.

실시예Example -9-9

분자체 NaX 펠렛의 25.0g이 1:80의 비율로 0.01M 아세트산 유로퓸 용액으로 교환되고 80℃에서 4시간 동안 환류되었다. 이 뜨거운 용액은 여과되고, 세척액에 아세테이트 이온이 없어질 때까지 뜨거운 증류수로 세척되었으며 실온(28℃)의 공기중에서 건조되었다. 건조한 제올라이트량 중의 유로퓸 함량은 총 대체가능한 나트륨 양이온의 52%이었다. 이 제올라이트는 진공(10-3mmHg)하의 350℃ 온도에서 활성화되었고 활성화 후 시료의 무게는 0.59gm이었다. 흡착 측정은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 수행되었다. 산소에 대한 흡착 용량은 15℃ 온도 및 760mmHg에서 2.3cc/g이었고, 100mmHg의 압력에서 아르곤에 대한 산소의 선택도는 1.7이었으며, 산소에 대한 질소의 선택도는 1.1이었고, 아르곤에 대한 질소의 선택도는 2.7이었다.25.0 g of molecular sieve NaX pellets were exchanged with 0.01 M europium acetate solution at a ratio of 1:80 and refluxed at 80 ° C. for 4 hours. This hot solution was filtered, washed with hot distilled water until the wash liquid was free of acetate ions and dried in air at room temperature (28 ° C.). The europium content in the dry zeolite amount was 52% of the total replaceable sodium cations. This zeolite was activated at 350 ° C. under vacuum (10 −3 mmHg) and the weight of the sample after activation was 0.59 gm. Adsorption measurements were performed at a temperature of 15 ° C. and a pressure of 760 mm Hg. The adsorption capacity for oxygen was 2.3 cc / g at 15 ° C. temperature and 760 mm Hg, the selectivity of oxygen to argon was 1.7, the selectivity of nitrogen to oxygen was 1.1, and the selection of nitrogen to argon at 100 mmHg pressure. Degree was 2.7.

실시예Example -10-10

분자체 NaX 펠렛의 25.0g이 1:80의 비율로 0.01M 아세트산 유로퓸 용액으로 교환되고 80℃에서 4시간 동안 환류되었다. 이 뜨거운 용액은 여과되고, 세척액에 아세테이트 이온이 없어질 때까지 뜨거운 증류수로 세척되었으며 실온(28℃)의 공기중에서 건조되었다. 건조한 제올라이트량 중의 유로퓸 함량은 총 대체가능한 나트륨 양이온의 67%이었다. 이 제올라이트는 진공(10-3mmHg)하의 350℃ 온도에서 활성화되었고 활성화 후 시료의 무게는 0.52gm이었다. 흡착 측정은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 수행되었다. 산소에 대한 흡착 용량은 15℃ 온도 및 760mmHg에서 2.6cc/g이었고, 100mmHg의 압력에서 아르곤에 대한 산소의 선택도는 2.3이었으며, 산소에 대한 질소의 선택도는 1.3이었고, 아르곤에 대한 질소의 선택도는 3.1이었다.25.0 g of molecular sieve NaX pellets were exchanged with 0.01 M europium acetate solution at a ratio of 1:80 and refluxed at 80 ° C. for 4 hours. This hot solution was filtered, washed with hot distilled water until the wash liquid was free of acetate ions and dried in air at room temperature (28 ° C.). The europium content in the dry zeolite amount was 67% of the total replaceable sodium cations. This zeolite was activated at 350 ° C. under vacuum (10 −3 mmHg) and the weight of the sample after activation was 0.52 gm. Adsorption measurements were performed at a temperature of 15 ° C. and a pressure of 760 mm Hg. Adsorption capacity for oxygen was 2.6 cc / g at 15 ° C. temperature and 760 mmHg, oxygen selectivity to argon was 2.3, nitrogen selectivity to oxygen was 1.3, and nitrogen selection to argon at 100 mmHg pressure Fig. 3.1.

실시예Example -11-11

분자체 NaX 펠렛의 25.0g이 1:80의 비율로 0.01M 아세트산 가돌리늄 용액으로 교환되고 80℃에서 4시간 동안 환류되었다. 이 뜨거운 용액은 여과되고, 세척액에 아세테이트 이온이 없어질 때까지 뜨거운 증류수로 세척되었으며 실온(28℃)의 공기중에서 건조되었다. 건조한 제올라이트량 중의 가돌리늄 함량은 총 대체가능한 나트륨 양이온의 82%이었다. 이 제올라이트는 진공(10-3mmHg)하의 35℃ 온도에서 활성화되었고 활성화 후 시료의 무게는 0.59gm이었다. 흡착 측정은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 수행되었다. 산소에 대한 흡착 용량은 15℃ 온도 및 760mmHg에서 3.2cc/g이었고, 100mmHg의 압력에서 아르곤에 대한 산소의 선택도는 4.0이었으며, 산소에 대한 질소의 선택도는 1.3이었고, 아르곤에 대한 질소의 선택도는 5.0이었다.25.0 g of molecular sieve NaX pellets were exchanged with 0.01 M gadolinium acetate solution at a ratio of 1:80 and refluxed at 80 ° C. for 4 hours. This hot solution was filtered, washed with hot distilled water until the wash liquid was free of acetate ions and dried in air at room temperature (28 ° C.). The gadolinium content in the dry zeolite amount was 82% of the total replaceable sodium cations. This zeolite was activated at 35 ° C. under vacuum (10 −3 mmHg) and the weight of the sample after activation was 0.59 gm. Adsorption measurements were performed at a temperature of 15 ° C. and a pressure of 760 mm Hg. The adsorption capacity for oxygen was 3.2 cc / g at 15 ° C. temperature and 760 mm Hg, the selectivity of oxygen to argon was 4.0, the selectivity of nitrogen to oxygen was 1.3, and the selection of nitrogen to argon at 100 mmHg pressure. The degree was 5.0.

실시예Example -12-12

분자체 NaX 펠렛의 25.0g이 1:80의 비율로 0.01M 아세트산 가돌리늄 용액으로 교환되고 80℃에서 4시간 동안 환류되었다. 이 뜨거운 용액은 여과되고, 세척액에 아세테이트 이온이 없어질 때까지 뜨거운 증류수로 세척되었으며 실온(28℃)의 공기중에서 건조되었다. 건조한 제올라이트량 중의 가돌리늄 함량은 총 대체가능한 나트륨 양이온의 88%이었다. 이 제올라이트는 진공(10-3mmHg)하의 350℃ 온도에서 활성화되었고 활성화 후 시료의 무게는 0.66gm이었다. 흡착 측정은 15℃ 온도 및 760mmHg의 압력에서 수행되었다. 산소에 대한 흡착 용량은 15℃ 온도 및 760mmHg에서 2.8cc/g이었고, 100mmHg의 압력에서 아르곤에 대한 산소의 선택도는 2.0이었으며, 산소에 대한 질소의 선택도는 3.0이었고, 아르곤에 대한 질소의 선택도는 6.0이었다.25.0 g of molecular sieve NaX pellets were exchanged with 0.01 M gadolinium acetate solution at a ratio of 1:80 and refluxed at 80 ° C. for 4 hours. This hot solution was filtered, washed with hot distilled water until the wash liquid was free of acetate ions and dried in air at room temperature (28 ° C.). The gadolinium content in the dry zeolite amount was 88% of the total replaceable sodium cations. This zeolite was activated at 350 ° C. under vacuum (10 −3 mmHg) and the weight of the sample after activation was 0.66 gm. Adsorption measurements were performed at a temperature of 15 ° C. and a pressure of 760 mm Hg. The adsorption capacity for oxygen was 2.8 cc / g at 15 ° C. temperature and 760 mm Hg, the selectivity of oxygen to argon was 2.0, the selectivity of nitrogen to oxygen was 3.0, and the selection of nitrogen to argon at 100 mmHg pressure. Fig. 6.0.

본 발명의 주요 잇점은 하기와 같다:The main advantages of the present invention are as follows:

1. 제올라이트 X의 개질에 의해 제조된 흡착제가 질소와 아르곤에 우선하는 산소 선택도를 보여준다.1. The adsorbents prepared by the modification of zeolite X show oxygen selectivity over nitrogen and argon.

2. 희토류 양이온의 수용액으로 하는 간단한 교환이 흡착제의 제조를 위해 사용된다.2. A simple exchange with an aqueous solution of rare earth cations is used for the preparation of the adsorbent.

3. 교환이 80℃ 및 대기압에서 수행된다.3. The exchange is carried out at 80 ° C. and atmospheric pressure.

4. 흡착제는 취급하기가 매우 쉽다.4. The adsorbent is very easy to handle.

5. 흡착제는 연구된 낮은 압력 범위에서 거의 8의 산소/아르곤 선택도를 보여 준다.5. The adsorbent shows nearly 8 oxygen / argon selectivity in the low pressure range studied.

6. 흡착제는 질소와의 혼합물로부터 산소와 아르곤의 상업적 분리 및 정제에 유용하다.6. Adsorbents are useful for commercial separation and purification of oxygen and argon from mixtures with nitrogen.

7. 흡착제는 산소, 질소, 및 아르곤의 크로마토그래피 분리에 유용하다.7. Adsorbents are useful for chromatographic separations of oxygen, nitrogen, and argon.

Claims (7)

공기로부터 산소의 선택적 흡착을 위한 분자체 흡착제의 제조공정으로서,Process for preparing molecular sieve adsorbent for selective adsorption of oxygen from air, (i) 제올라이트 X를 세륨, 유로퓸, 가돌리늄, 및 이들의 임의의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 희토류 금속의 수용성 염으로 교환시키는 단계;(i) exchanging zeolite X with a water-soluble salt of a rare earth metal selected from the group consisting of cerium, europium, gadolinium, and any mixtures thereof; (ii) 상기 혼합물을 여과하고, 상기 분말 또는 펠렛을 음이온이 없어질 때까지 뜨거운 증류수로 세척하여 교환된 제올라이트를 얻는 단계;(ii) filtering the mixture and washing the powder or pellet with hot distilled water until there are no negative ions to obtain an exchanged zeolite; (iii) 상기 교환된 제올라이트를 건조시키는 단계; 및(iii) drying the exchanged zeolite; And (iv) 상기 교환된 제올라이트를 활성화시키는 단계;를 포함하되,(iv) activating the exchanged zeolite; 클레이 및 유기 바인더가 사용되지 않는 공정.Clay and organic binders are not used. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제올라이트 X는 100% 결정화도를 갖는 분말 형태 또는 펠렛 형태로 사용되는 것을 특징으로 하는 공정.The zeolite X is characterized in that it is used in powder form or pellet form having a 100% crystallinity. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제올라이트의 Na 양이온은 염화물, 질산염, 및 아세트산염으로부터 선택된 희토류 금속의 염으로 교환되는 것을 특징으로 하는 공정.Na cation of the zeolite is exchanged with salts of rare earth metals selected from chlorides, nitrates, and acetates. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 양이온 교환은 4 내지 8시간 범위 동안 30℃ 내지 90℃ 범위의 온도에 서 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.Wherein said cation exchange is carried out at a temperature in the range of 30 ° C. to 90 ° C. for a range of 4 to 8 hours. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 양이온 교환은 0.01 내지 0.1M 용액 범위의 양이온 농도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.Said cation exchange is carried out at a cation concentration in the range of 0.01 to 0.1M solution. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 교환된 제올라이트는 공기 중 또는 진공하에서 20℃ 내지 80℃의 온도 범위에서 건조되는 것을 특징으로 하는 공정.The exchanged zeolite is dried in a temperature range of 20 ° C. to 80 ° C. in air or under vacuum. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 교환된 제올라이트는 3 내지 6시간 범위의 주기 동안 350℃ 내지 450℃의 온도 범위에서 활성화된 후 불활성 또는 진공하에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 공정.The exchanged zeolite is activated in a temperature range of 350 ° C. to 450 ° C. for a period of 3 to 6 hours and then cooled under inert or vacuum.
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